確定性融合邊緣一體機測試床
1.1 引言/導讀
邊緣聯(lián)接業(yè)務和生產(chǎn)現(xiàn)場，是目前行業(yè)內(nèi)領先企業(yè)的主要研究方向。邊緣控制是智能制造的關鍵，也是我國工業(yè)控制彎道超車的關鍵要素?；谶吘売嬎阒貥?gòu)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，工業(yè)系統(tǒng)從典型的五層架構(gòu)，將走向開放的、軟硬件解耦的的下一代三層工控系統(tǒng)機構(gòu)。
確定性融合邊緣一體機探索開放的確定性IOT融合網(wǎng)絡，國產(chǎn)化實時操作系統(tǒng)等技術，打造融合聯(lián)接、融合計算、融合業(yè)務的智能邊緣控制節(jié)點，實現(xiàn)OT域的國產(chǎn)化，網(wǎng)絡的開放化。
1.2 關鍵詞
DIP、歐拉操作系統(tǒng)、容器、虛擬化、IEC61499
1.3 測試床項目承接主體
1.3.1 發(fā)起公司和主要聯(lián)系人聯(lián)系方式
華為技術有限公司
吳治國，電話：15618889477，電子郵箱：wuzhiguo@huawei.com
王金斌，電話：13916476178，電子郵箱：wangjinbin@huawei.com
1.3.2 合作公司
上海交通大學
寶信軟件
1.4 測試床項目目標
本測試床依托確定性聯(lián)接技術和下一代工業(yè)控制邊緣計算架構(gòu)，打造遠程、集中的工業(yè)控制模式，讓操作人員可以在更安全、更舒適的集中控制室完成生產(chǎn)任務，也讓大型企業(yè)得以在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)總部、多基地之間的生產(chǎn)要素調(diào)度和優(yōu)化。對于加速云化PLC的發(fā)展，帶動下一代工業(yè)控制邊緣計算架構(gòu)的發(fā)展和升級，起到積極示范效應。
基于AII開放的全棧國產(chǎn)化工控邊緣體系架構(gòu)，打造融合計算、存儲、確定性網(wǎng)絡等的邊緣一體機。
? 基于國產(chǎn)鯤鵬生態(tài)的實時操作系統(tǒng)；
? 確定性的IT/OT融合網(wǎng)絡；
? 支持融合計算業(yè)務；
? IEC61499軟件開發(fā)架構(gòu)的探索。
1.5 測試床方案架構(gòu)
1.5.1 測試床應用場景
以機器人、數(shù)控機床等為主的智能化高端裝備，利用自主感知與連接獲取機床、加工、工況、環(huán)境有關的信息，通過自主學習與建模，完成自主控制與執(zhí)行，實現(xiàn)加工制造過程的優(yōu)質(zhì)、高效、安全、可靠和低耗的多目標優(yōu)化運行。需要邊緣一體機支持提供穩(wěn)定的運行環(huán)境，如高速的傳輸通道，確定性計算等。
鋼鐵等行業(yè)，工作環(huán)境惡劣，客戶期望通過遠程集中控制減少危險作業(yè)環(huán)境對人的依賴，減少人員傷亡，改善工作環(huán)境；對于集團型企業(yè)，客戶期望通過集團統(tǒng)一控制，實現(xiàn)各個公司的工藝水平拉齊，保持工藝一致性，同時對于特殊關鍵產(chǎn)品的工藝參數(shù)集中管控，不希望分散到各個子業(yè)務部門，實現(xiàn)保密性。
另外，柔性生產(chǎn)、多軸加工等對產(chǎn)線間協(xié)同生產(chǎn)提出了新的要求，單純依靠原有的節(jié)拍或者監(jiān)測控制的方式，已經(jīng)無法完全滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需要。這都需要引入邊緣控制，增強實時性和協(xié)同性，同時提升效率降低成本。
1.5.2 測試床架構(gòu)
基于AII工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，邊緣側(cè)提供提供海量工業(yè)數(shù)據(jù)接入、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)預處理和邊緣分析應用等功能。確定性融合邊緣一體機探索 開放的確定性IOT融合網(wǎng)絡，國產(chǎn)化實時操作系統(tǒng)等為技術，打造融合聯(lián)接、融合計算、融合業(yè)務的智能邊緣控制節(jié)點，實現(xiàn)OT域的國產(chǎn)化，網(wǎng)絡的開放化。
確定性融合邊緣一體機在端-邊-云三層架構(gòu)中位置如下：
提供存儲、計算、AI一體化功能，支持非實時輔助業(yè)務和軟實時業(yè)務，支持DIP，兼容工業(yè)協(xié)議。整體協(xié)議架構(gòu)如下：
車間和設備的確定性聯(lián)接，支持IOT共管道高可靠、低抖動聯(lián)接，可擴展。以確定性聯(lián)接為紐帶，協(xié)同融合工業(yè)邊緣，設備網(wǎng)聯(lián)化、聯(lián)接IP化、網(wǎng)絡智能化的先進工業(yè)網(wǎng)絡是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎。
測試床組網(wǎng)部署方案如下：
1.5.3 測試床方案
測試床方案主要圍繞確定性融合邊緣一體機的核心部件和實現(xiàn)的業(yè)務功能進行。業(yè)務部分主要測試邊緣控制的集中功能和協(xié)同控制功能展開，核心部件放在方案重點技術里介紹。
鋼鐵等行業(yè)，工作環(huán)境惡劣，客戶期望通過遠程集中控制減少危險作業(yè)環(huán)境對人的依賴，減少人員傷亡，改善工作環(huán)境；對于集團型企業(yè)，客戶期望通過集團統(tǒng)一控制，實現(xiàn)各個公司的工藝水平拉齊，保持工藝一致性，同時對于特殊關鍵產(chǎn)品的工藝參數(shù)集中管控，不希望分散到各個子業(yè)務部門，實現(xiàn)保密性。
在手眼協(xié)同控制系統(tǒng)中，需要引入邊緣控制，增強實時性和協(xié)同性。
1.6 方案重點技術
1.6.1 確定性IOT融合網(wǎng)絡 – DIP（overlay方案）
測試床采用DIP網(wǎng)絡作為連接，現(xiàn)階段不解析原有工業(yè)連接協(xié)議，由box進行封裝，overlay的方式進行傳輸。
1.6.2 實時操作系統(tǒng) – 和DIP深度融合的華為Euler OS
? Ehternet網(wǎng)絡驅(qū)動與系統(tǒng)融合：軟件協(xié)議棧中包含的以太網(wǎng)驅(qū)動程序經(jīng)過專門優(yōu)化，可確保高優(yōu)先級、定時調(diào)度數(shù)據(jù)，同時低優(yōu)先級也具備高效的（例如常規(guī)TCP/IP流量）的實時數(shù)據(jù)處理。
? DIP網(wǎng)絡驅(qū)動與系統(tǒng)融合： DIP軟件協(xié)議棧包括一個特殊的DIP專用網(wǎng)絡驅(qū)動，不受其他協(xié)議影響，提供網(wǎng)絡傳輸實時性數(shù)據(jù)。
? 不同協(xié)議數(shù)據(jù)交換：DIP軟件協(xié)議棧提供方便且用戶友好的API，用于通過DIP網(wǎng)絡從TCP/IP和EtherCAT等其他協(xié)議交換數(shù)據(jù)。
? 中斷直通：操作系統(tǒng)虛擬化層經(jīng)過特殊優(yōu)化，判斷DIP協(xié)議數(shù)據(jù)后，實現(xiàn)中斷直通功能，DIP數(shù)據(jù)直達協(xié)議處理部分。可確保高優(yōu)先級、確定性調(diào)度數(shù)據(jù)。
1.6.3 虛擬化和容器 – 支持實時和非實時系統(tǒng)協(xié)同部署
? 多樣性算力：開放支持多種計算架構(gòu)實現(xiàn)多樣性算力協(xié)同；支持社區(qū)版本支持x86、鯤鵬、飛騰、RISC-V、昇騰；伙伴商業(yè)發(fā)行版增量支持龍芯、申威、兆芯、海光等國產(chǎn)化芯片
? 系統(tǒng)虛擬化：硬件資源的模擬、隔離和共享。支持中斷直通、DMA等。包含CPU虛擬化、內(nèi)存虛擬化和I/O虛擬化。核心敏感指令經(jīng)過VMM翻譯保證安全，同時各虛機在共享內(nèi)存資源的同時保持相互獨立，每個虛機都相當于擁有獨立、完整的外設。
? 實時和非實時系統(tǒng)協(xié)同部署：在虛擬資源池上同時運行實時和非實時操作系統(tǒng)，保證工業(yè)控制實時性需求，非實時業(yè)務不影響實時業(yè)務運行。
? 容器方式支持業(yè)務隔離運行：實現(xiàn)更為簡單，開銷小、啟動快、隔離性增強、應用移植到其他平臺時無需進行環(huán)境配置就可直接運行。
1.6.4 IEC61499開發(fā)運行環(huán)境
基于IEC 61499標準的PLC集成開發(fā)環(huán)境及運行環(huán)境，采用通用邊緣計算架構(gòu)、開放的IP網(wǎng)絡協(xié)議和新一代低代碼集成開發(fā)環(huán)境，深度融合IT技術和OT技術，加速下一代工業(yè)控制架構(gòu)的升級進程。
1.6.5 方案自主研發(fā)性、創(chuàng)新性及先進性
本方案基于國產(chǎn)鯤鵬生態(tài)的實時操作系統(tǒng)，采用下一代先進DIP網(wǎng)絡，支持融合計算業(yè)務，具備自主性、創(chuàng)新性，引領下一代工控邊緣計算架構(gòu)的發(fā)展和升級。
1.6.6 方案安全風險控制
廠區(qū)數(shù)據(jù)本地加載和閉環(huán)，不基于公網(wǎng)進行回傳，故本方案采用端到端的專網(wǎng)解決方案，起到了與公網(wǎng)數(shù)據(jù)的良好隔離，保證了數(shù)據(jù)的安全及私密性并有效的規(guī)避了外網(wǎng)攻擊的風險性。
1.7 測試床實施部署
1.7.1 測試床實施規(guī)劃
序號 | 階段名稱 | 時間 | 主要工作內(nèi)容 |
1 | 可行性研究階段 | 2021.11-2022.6 | （1）溝通交流，行業(yè)調(diào)研； （2）深度對接，達成初步意向； （3）與行業(yè)客戶明確戰(zhàn)略合作框架，確定價值場景范圍(可簽署戰(zhàn)略合作框架協(xié)議)。 |
2 | 設計階段 | 2022.6-2022.12 | （1）需求對接，聯(lián)合創(chuàng)新，積極探索示范試點項目； （2）聯(lián)合供應商，完善平臺設計及設備選型；在主語實驗室完成設備內(nèi)場測試聯(lián)調(diào)及對接。 |
3 | 施工部署階段 | 2022.12-2023.6 | 設備入場施工部署調(diào)測 |
4 | 運行驗收階段 | 2023.6-2023.10 | 根據(jù)客戶需求，實現(xiàn)平臺相關功能及運行穩(wěn)定性 |
5 | 宣傳推廣階段 | 2023.10-2023.12 | （1）嘗試輸出白皮書，引導行業(yè)水平參考架構(gòu)設計； （2）建設標準體系，擴大產(chǎn)業(yè)可復制空間； （3）營造生態(tài)體系，構(gòu)筑商業(yè)粘性； （4）打造產(chǎn)業(yè)樣板間，進一步構(gòu)筑商業(yè)粘性。 |
1.7.2 測試床實施的技術支撐及保障措施
主要圍繞信通院-華為-上海交大-行業(yè)客戶四方合作模式開展相關工作，依托信通院和華為資源牽頭成立開放合作實驗室，聯(lián)合上海交大來為整體方案的部署實施提供技術支撐，并和行業(yè)客戶開展相關的生態(tài)建設。華為以在網(wǎng)絡側(cè)的技術能力與上海交大在工業(yè)領域的技術能力結(jié)合，在研究內(nèi)容滿足部署的情況下，通過行業(yè)客戶提供的應用場景去進行試點應用和落地，并最終為AII聯(lián)盟提供案例反饋，形成完整閉環(huán)機制。
1.7.3 測試床實施的自主可控性
基于鯤鵬生態(tài)的國產(chǎn)實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)全棧自研，完全自主可控的工業(yè)控制系統(tǒng)。
1.8 測試床預期成果
1.8.1 測試床的預期可量化實施結(jié)果
? 確定性IOT融合網(wǎng)絡時延滿足工業(yè)控制要求可行性；
? 基于國產(chǎn)鯤鵬生態(tài)的實時操作系統(tǒng)在工業(yè)控制領域應用可行性；
? 邊緣智能控制節(jié)點實現(xiàn)云化PLC功能；
1.8.2 測試床的商業(yè)價值、經(jīng)濟效益
通過邊緣一體機、確定性網(wǎng)絡承載，加速國產(chǎn)替代，增強國家工控安全。
改善生產(chǎn)條件、降低危險作業(yè)，節(jié)省人力成本。
1.8.3 測試床的社會價值
完全自主可控的工業(yè)控制智能邊緣節(jié)點，提升國產(chǎn)化開放化工控能力水平。
1.9 測試床成果驗證
1.9.1 測試床成果驗證計劃
測試床成果驗證計劃主要包括實時操作系統(tǒng)、確定性DIP、容器和虛擬化、邊緣控制集中下發(fā)四個部分。
硬件由多個服務器集群構(gòu)成，提供存儲、計算、AI能力，通過確定性網(wǎng)絡連接。硬件系統(tǒng)將統(tǒng)一控制工業(yè)機器人、門閥、繼電器、儀表等裝備群。融合網(wǎng)關提供設備接入、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)預處理等能力，數(shù)據(jù)和參數(shù)由融合計算進行分析并處理，VPLC應用進行PLC控制優(yōu)化。確定性網(wǎng)絡以及普通車間網(wǎng)絡通過網(wǎng)絡管理平臺進行管理。
1.9.2 測試床成果驗證方案
測試床成果驗證計劃主要針對邊緣控制集中能力進行測試。
測試項目：邊緣控制集中能力測試 |
測試目的：驗證邊緣一體機基于確定性網(wǎng)絡進行控制集中的協(xié)同控制業(yè)務可行性 |
預置條件： PLC群對裝備群的控制編排完成。 確定性網(wǎng)絡完成網(wǎng)絡流量編排及部署。 裝備群存在明確控制時延要求 |
測試步驟： a) 工業(yè)平臺下發(fā)PLC群控制命令。 b) 裝備群按照PLC群下發(fā)的控制命令進行相應的生產(chǎn)業(yè)務執(zhí)行 |
預期結(jié)果： 工業(yè)平臺PLC群控制命令下發(fā)順暢，無阻塞及下發(fā)失敗情況。 裝備群按照PLC群的控制意圖進行生產(chǎn)業(yè)務執(zhí)行，無執(zhí)行失敗或告警。 |
測試結(jié)果：
|
結(jié)論：
|
1.10 測試床成果交付
1.10.1 測試床成果交付件
邊緣一體機測試軟硬件；
應用場景測試報告；
融合工業(yè)邊緣控制白皮書；
1.10.2 測試床可復制性
該測試床可為智能制造行業(yè)增加邊緣智能控制節(jié)點，提供一體化存儲、計算、AI能力，廣泛適用于流程制造和離散制造的車間和廠區(qū)邊緣。
1.10.3 測試床開放性
該測試床基于軟硬件解耦的開放架構(gòu)，本身已經(jīng)廣泛應用，具備良好的開放及兼容能力，可以與企業(yè)的軟件系統(tǒng)進行平滑對接，可以拓展到相關場景開放環(huán)境中。
1.11 其他信息
1.11.1 測試床使用者
歡迎第三公司參與本測試床建設
1.11.2 測試床知識產(chǎn)權(quán)說明
由參與方各自負責模塊自行協(xié)商
1.11.3 測試床運營及訪問使用
建設初期，華為和信通院牽頭相關設備廠家負責整體系統(tǒng)集成及平臺的部署及運營。建設后期行業(yè)客戶可基于平臺進行業(yè)務訪問及簡單的操作及維護，相關技術難點及故障維護可通過維保服務由華為及信通院進行跟進支撐及解決。
1.11.4 測試床資金
序號 | 預算科目名稱 | 合計（萬元） | 備注 |
（1） | （2） | （3） | |
1 | 一、成本費用支出 | 145.8 | |
2 | 1、差旅費 | 5.8 | |
3 | 2、辦公費 | 0 | |
4 | （1）耗材配件 | 0 | |
5 | （2）技術資料費 | 0 | |
6 | （3）文印費 | 0 | |
7 | 3、低值易耗品 | 0 | |
8 | 4、通信費 | 0 | |
9 | 5、車輛租賃費 | 0 | |
10 | 6、技術服務費 | 150 | |
11 | 7、設備租賃費 | 20 | |
12 | 二、資本化支出 | 90 | |
合計235 | 265.8 |
1.11.5 測試床時間軸
序號 | 措施 | 1月 | 3月 | 5月 | 7月 | 9月 | 11月 | 次年1月 | 次年3月 | 次年5月 | 次年7月 | 次年9月 | 次年11月 |
1 | 溝通交流，行業(yè)調(diào)研 | ||||||||||||
2 | 深度對接，達成初步意向 | ||||||||||||
3 | 確定價值場景范圍 | ||||||||||||
4 | 需求對接，聯(lián)合創(chuàng)新，積極探索示范試點項目 | ||||||||||||
5 | 輸出白皮書，引導行業(yè)水平參考架構(gòu)設計 | ||||||||||||
6 | 建設標準體系，擴大產(chǎn)業(yè)可復制空間 | ||||||||||||
7 | 營造生態(tài)體系，構(gòu)筑商業(yè)粘性 | ||||||||||||
8 | 打造產(chǎn)業(yè)樣板間，進一步構(gòu)筑商業(yè)粘性 |
聲明
本報告所載的材料和信息，包括但不限于文本、圖片、數(shù)據(jù)、觀點、建議，不構(gòu)成法律建議，也不應替代律師意見。本報告所有材料或內(nèi)容的知識產(chǎn)權(quán)歸工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟所有（注明是引自其他方的內(nèi)容除外），并受法律保護。如需轉(zhuǎn)載，需聯(lián)系本聯(lián)盟并獲得授權(quán)許可。未經(jīng)授權(quán)許可，任何人不得將報告的全部或部分內(nèi)容以發(fā)布、轉(zhuǎn)載、匯編、轉(zhuǎn)讓、出售等方式使用，不得將報告的全部或部分內(nèi)容通過網(wǎng)絡方式傳播，不得在任何公開場合使用報告內(nèi)相關描述及相關數(shù)據(jù)圖表。違反上述聲明者，本聯(lián)盟將追究其相關法律責任。
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